Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Электрическая сила связывает электроны с ядром. Когда атом находится в своем нормальном, основном состоянии, электроны находятся так близко к ядру, как только могут. (Само ядро удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие, которое в 1000 раз сильнее электромагнитного.) Да, но что значит «так близко, как только могут»? Почему электроны просто не падают на ядро, ведь классическая механика предсказывает именно такой исход! Если бы классическая механика была точным описанием природы, то атомы могли бы существовать только в течение крошечной доли секунды, прежде чем исчезнуть во вспышке света. Но корректное описание атомов дает не классическая, а квантовая механика. Квантовая механика гарантирует стабильность атомов, а стабильность атомов, в свою очередь, является одним из самых конкретных подтверждений квантовой механики. Без квантовой механики жизнь атома была бы яркой, но короткой.

Но как квантовая механика обеспечивает стабильность атомов? Мы помним, что каждый электрон имеет свою волну, связанную с его положением и скоростью. Те места, где волна электрона сильна, являются местами наиболее вероятного местонахождения электрона[27]. Чем короче длина волны, тем быстрее движется электрон. Наконец, скорость, с которой волна колеблется вверх и вниз, пропорциональна энергии электрона.

Предположим, что мы хотим разместить волну электрона вокруг ядра атома. Самая простая волна, для которой это можно сделать, – это сфера: волна аккуратно огибает ядро. У следующей по простоте волны есть один пик, когда она огибает ядро; за ней идет волна с двумя пиками, и т. д. Каждый из этих типов волн соответствует электрону в определенном энергетическом состоянии. Самая простая волна – сферическая, без пиков; в этом состоянии у электрона меньше всего энергии. Вторая волна имеет изгибы, а у ее электрона больше энергии. Чем больше пиков в волне электрона, тем быстрее он колеблется и тем больше у него энергии.

Обвяжите камень резиновой лентой и раскрутите его над головой. Чем быстрее движется камень, тем больше у него энергии и тем дальше от вашей головы он обращается, потому что резинка растягивается, чтобы компенсировать дополнительную скорость камня. То же самое верно и для электрона: чем больше его энергия, тем дальше от ядра он обращается. Электрон может подойти ближе всего к ядру, когда у него меньше всего энергии, то есть когда его волна простая, сферическая. Корпускулярно-волновой дуализм подразумевает, что электроны атома состоят из набора дискретных волн, а поэтому и набор орбит у них тоже дискретный. Электроны никогда не падают на ядро, а мы можем подсчитать все возможные варианты (нет пиков, один пик, два пика и т. д.).

Когда электрон переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей, он испускает квант света – фотон. Энергия фотона равна разности между энергиями этих двух состояний. Разные атомы, например атом фосфора, у которого 15 электронов, или атом железа, у которого их двадцать шесть, испускают фотоны, обладающие разными характерными энергиями. Благодаря соответствию между энергией и скоростью, с которой испускаемые фотоны колеблются вверх и вниз, эти фотоны соответствуют свету той или иной конкретной частоты. Набор таких частот называют спектром атома.

То, что атомы излучают свет с характерным спектром, было замечено еще в первой половине XIX в. Классические физики того времени еще не знали о квантах или фотонах и не могли объяснить эти спектры. Объяснение атомных спектров стало первым великим триумфом квантовой механики. Используя простые отношения между длиной волны и скоростью электронов, а также между частотой, с которой колеблется волна, и ее энергией, Нильс Бор смог вычислить спектр атома водорода и показал, что данная квантово-механическая модель хорошо согласуется с результатами экспериментов.

Атомы могут не только излучать свет, но и поглощать его. Точно так же как атом может перейти из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией, испуская в этом процессе фотон, атом может поглотить фотон и перепрыгнуть из состояния с низкой энергией в состояние с более высокой энергией. Возьмем атом в его нормальном состоянии и искупаем его в луче лазерного света, состоящего из фотонов, энергия которых равна разности энергии между нормальным состоянием и следующим по уровню энергии состоянием (оно называется первым «возбужденным состоянием» атома). Атом поглотит один фотон из нашего луча и перейдет из нормального в первое возбужденное состояние.